液位控制系统课程设计报告.doc
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指导教师评定成绩：
审定成绩：
重庆邮电大学
自动化学院
自动控制原理课程设计报告
设计题目：
液位控制系统
单位：
自动化学院
学生姓名：
汪函
专业：
自动化
班级：
0881201
学号：
2012212646
指导教师：
陈勇
设计时间：
2014年10月
重庆邮电大学自动化学院制
目录
一、摘要 1
二、自动控制原理课程设计题目 1
三、控制对象分析 4
1、工作原理 5
2、系统运行方框图 5
3、建立数学模型求系统传递函数 5
4、系统稳定性分析 5
5、校正前根轨迹、伯德图、单位阶跃图 5
6、参数比较 5
7、系统校正 5
7.1、校正方法确定 6
7.2、校正过程 6
8、校正后根轨迹、伯德图、单位阶跃图 5
9、系统仿真 5
四、总结 1
五、参考文献 1
一、一、摘要
在社会经济飞速发展的今天，水在人们生活和生产中起着越来越重要的作用。
在工业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的液位进行自动控制。
比如自动控制水箱、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量，生活中抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等,所以水箱液位控制系统在生活成为了必不可少的东西。
设计一个合理、稳定性强的水箱液位控制系统对生活的意义重大，一个完整的水箱液位控制系统主要由水箱、电动机、进水阀门、浮子连杆等配件构成：
操作简便，可靠性好，运行成本低，可扩展行强等特点，本文对给定的水箱液位控制系统进行分析，画出结构框图，描述每一个元件的函数，并写出每个元件的传递函数，用Matlab/Simulink对系统进行仿真，并分析结果。
关键字：
水箱液位控制系统电动机建模传递函数
Summary
Intoday'srapidsocialandeconomicdevelopment,waterplaysanincreasinglyimportantroleinpeople'slivesandproduction.Inindustrialproductionanddailylifeapplications,oftenneedtolevelinthecontainerforautomaticcontrol.Suchasautomaticcontrolofwaterstoragecontainertanks,ponds,tanks,boilers,automaticwatercontrollifeinthetoilet,automaticelectricwaterheaters,electricwatermachineautomaticwatercontrol,sothewaterlevelcontrolsysteminlifebecameaessentialthing.Designareasonable,strongsenseofstabilitywaterlevelcontrolsystemforamajorlife,afulltanklevelcontrolsystemconsistsoftanks,motors,watervalves,floatrodandotheraccessoriescomponents:
simpleoperation,goodreliability,lowoperatingcost,scalabilitylines,andothercharacteristics,thepapergivenwaterlevelcontrolsystemanalysis,blockdiagramshown,thefunctiondescriptionofeachcomponent,andwritethetransferfunctionofeachcomponentwithMatlab/Simulinkforsystemsimulation,andanalysisoftheresults.
Keywords:
waterlevelcontrolsystemofthemotortransferfunctionmodeling
二、自动控制原理课程设计题目
设计一液位控制系统，如下图示：
原理为：
当设定水箱水位为h时，输入电压经K1反向（比较）、K2放大驱动直流伺服电机通过减速器带动阀门旋转，调节进水。
浮子检测水位高度，并通过绳系带动滑线变阻器反馈到K1。
已知：
1. 水箱底面积为0.1m2，进水管流量0<=Q<=1升/S，阀门转角θ与流量的关系为Q=Kfθ，其中Kf=0.1升/S.弧度，Q2=K2h,即层流情况下，出水量与水位高度成正比，K2=1升/m.s。
2. 输入设定、位置检测电位器灵敏度10V/m，E=5V。
减速器减速比为Ki=10。
3. 直流电机：
励磁线圈电阻Rf=20，扭矩常数K=6（N.m/A），磁极磁通φ=4，电机电动势常数Ke=0.5。
4. 直流电机励磁电流和控制电压的关系为：
u=Rf*if+Ke*φ*dθ,（忽略漏磁）转矩为：
T=K*φ*if。
电机运行规律为：
T=I*d2θ（忽略阻力），I为电机和阀门折合惯性矩，共为：
I=1kg/m2，不计阻力。
要求：
1、分析系统工作原理和特点，建立数学模型并画出结构图。
2、分析系统性能，针对系统要求：
a）稳定，无稳态误差。
b）液位在平衡位置提高为1cm时（即供水量提高一定值），调节时间不小于20s，超调量小于等于30%。
3、如果系统不满足要求，用根轨迹法矫正系统并确定校正装置参数。
并画出系统伯德图，指出校正方法
三、控制对象分析
液位控制系统的任务是使液面高度保持在一个设定的值上。
系统各个元件如下：
（1）、被控对象：
水箱
（2）、放大元件：
放大器
（3）、执行元件：
电机，减速器，阀门
（4）、测量元件：
浮子连杆
（5）、被控量：
水箱液位
（6）、给定量：
电位器给定电压U
（7）、输出量：
实际水位
1、工作原理：
当电位器电刷位于中间位置时（对应给定电压u）时，即水位处在希望的高度，同时出水量等于进水量，此时电动机不动，系统处在平衡状态。
若流水量或出水量发生变化，当液面升高时浮子位置也相应升高，通过杠杆作用使电位器电刷从中间位置下移，产生电位差，通过放大器放大，给电动机一个控制电压，驱动电动机通过减速器减小进水阀门开度，使进入水箱的液体流量减少。
这时，液面下降，浮子位置相应下降，直到电位器电刷回到中间位置，系统重新恢复平衡。
反之，液位下降，系统会增大进水阀门开度，加大进水量使液位升高到希望高度。
2、系统运行方框图
电动机
放大器
阀门水箱体
减速器
浮子电位器
图1系统方案框图
3、建立数学模型求系统传递函数
减速器K1：
由直流伺服电机直接作用来控制阀门q的转动大小。
减速器的减速比为Ki=10，则减速器的传递函数：
（1）
阀门水箱体G2：
以水箱和阀门为一整体由：
（2）
若以增量形式表示各变量相对于稳态值的变化量，即：
（3）
（4）
则水箱阀门传递函数为：
（5）
放大器K3：
放大器的放大倍数为K3，则放大器传递函数为：
（6）
电动机G4：
直流电机励磁电流和控制电压的关系为：
（7）
（8）
电机运行规律为：
（9）
（10）
（11）
将它进行拉普拉斯变换可得到电机与阀门开度的传递函数为：
（12）
（13）
浮子电位器K5：
（14）
系统总传递函数：
（15）
G4
G2
K3
Ki
U=K5h
图2系统传递函数框图
4、系统稳定性分析：
系统闭环传递函数：
（16）
闭环特征方程：
（17）
即：
（18）
对应上式应用劳斯判据，有：
S20.8320
S210.3100
S111.9
S0100
因为劳斯表第一列个元素为正，所以该系统稳定
开环传递函数为：
（19）
因为，本系统开环传递函数为：
（20）
所以本系统为I型系统
在阶跃输入h（t）=1（t）作用下，该系统稳态误差为0，满足要求（a）
5、校正前根轨迹、伯德图、单位阶跃
图3校正前根轨迹
图4校正前伯德图
图5校正前阶跃响应
6、比较参数
由图可知，ts=6.2且ts<20s，满足要求
σ%>30%，不满足要求，系统需校正
7、系统校正
7.1校正方法确定
σ%=（21）
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